粘性土壤条件下线性内聚与滞回弹簧耦合模型（HSCM）的离散元构建及耕作阻力预测优化研究

本研究通过耦合线性内聚模型与滞回弹簧模型（HSCM），创新性地实现了稻田粘性土壤的塑性变形与内聚行为离散元（DEM）模拟。采用两阶段标定策略（最速上升法与Box-Behnken设计）优化参数，使土壤湿容重模拟误差最小化，并在开沟实验中验证了模型对耕作阻力（相对误差7.5%~8.8%）和沟槽尺寸（宽度误差14.7%、深度误差1.3%）的精准预测，为粘性土壤-机具互作仿真提供了高效建模框架。

　　

Highlight

The experimental measurements

本研究所用土壤采集自华中农业大学（武汉）高强度耕作试验田的表层（0–20?cm深度）。采用原状核心样本（100?cm3圆柱体）测定容重，并依据美国农业部（USDA）土壤质地分类系统进行质地划分（表1）。土壤过2?mm筛后加水调节至饱和状态，以模拟高湿度田间环境。

The experimentally measured parameter values of the tested soil

试验土壤的实测特性如表4所示。土壤粘附性是农业机械面临的主要挑战，尤其在表现出塑性行为的粘性土壤中。测定阿特伯格极限（Atterberg Limits）（包括液限和塑限）对表征土壤稠度、理解粘附条件下土壤-机具互作机制至关重要。本研究遵循ISO标准测定了试验土壤的塑限。

Conclusions

本研究通过将线性内聚模型与滞回弹簧模型（HSCM）耦合，实现了软粘土壤与耕作部件互作行为的精准模拟。以实验测定的土壤湿容重为标定目标，对模型关键参数进行优化。敏感性分析表明：颗粒密度和颗粒间内聚能密度对DEM模拟容重呈正向影响，而屈服应力参数则呈现负向调控作用。